特許 6671498 回転角度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6671498

(24)【登録日】2020年3月5日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】回転角度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/20 20060101AFI20200316BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/20 110E

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-544547(P2018-544547)

(86)(22)【出願日】2017年2月24日

(65)【公表番号】特表2019-506614(P2019-506614A)

(43)【公表日】2019年3月7日

(86)【国際出願番号】EP2017054279

(87)【国際公開番号】WO2017144638

(87)【国際公開日】20170831

【審査請求日】2018年8月23日

(31)【優先権主張番号】102016202877.4

(32)【優先日】2016年2月24日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ファビアン ウーターメーレン

(72)【発明者】

【氏名】アンドレアス メアツ

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１３４２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３２８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−５９７７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００−５／２５２

Ｇ０１Ｂ ７／００−７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信コイル（２０）と、前記送信コイル（２０）の内側に配置された少なくとも２つの受信コイル（２２）とを有するステータエレメント（１２）であって、前記送信コイル（２０）および前記受信コイル（２２）は、１つのプリント基板（１８）上に配置されている、ステータエレメント（１２）と、
前記ステータエレメント（１２）に対して回転軸線（Ａ）を中心にして回転可能に支持されたロータエレメント（１４）であって、前記送信コイル（２０）は、前記ロータエレメント（１４）を介して前記少なくとも２つの受信コイル（２２）に誘導結合されており、これにより前記誘導結合は、前記ステータエレメント（１２）と前記ロータエレメント（１４）との間の回転角度に依存していて、前記送信コイル（２０）は、前記少なくとも２つの受信コイル（２２）において少なくとも２つの角度依存性の交番電圧を誘導する、ロータエレメント（１４）と、
を備える回転角度センサ（１０）であって、
前記ロータエレメント（１４）および前記少なくとも２つの受信コイル（２２）は、正弦波状に前記回転角度に依存している振幅を有する交番電圧が、前記受信コイル（２２）において誘導されるように構成されており、
前記少なくとも２つの受信コイル（２２）は、相互に電気的に接続された複数の円弧状の導体路（４０ａ，４０ｂ）から形成されており、前記少なくとも２つの受信コイル（２２）の各々は、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ）から形成されており、前記複数の部分巻線（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ）の各々は、半径方向（Ｒ）において、左に湾曲している少なくとも１つの円弧状の導体路（４０ａ）と、右に湾曲している少なくとも１つの対向する円弧状の導体路（４０ｂ）とによって画定されている、ことを特徴とする、回転角度センサ（１０）。

【請求項2】

前記少なくとも２つの受信コイル（２２）は、前記送信コイル（２０）の内側のリングセクタ領域（３０）に配置されており、
前記リングセクタ領域（３０）は、前記回転軸線（Ａ）を中心とした内側円（３２）と、前記回転軸線（Ａ）を中心とした外側円（３４）と、前記内側円（３２）を前記外側円（３４）に接続する２つの半径線（３６，３８）とによって画定されており、
前記２つの半径線（３６，３８）は、周囲に沿った前記回転角度センサ（１０）の測定範囲（β）にわたって相互に離間されており、
前記円弧状の導体路（４０ａ，４０ｂ）の端部は、前記リングセクタ領域（３０）上に位置している、
請求項１記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項3】

前記円弧状の導体路（４０ａ，４０ｂ）は全て、同じ曲率半径を有する、
請求項１または２記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項4】

相異なる受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）の部分巻線（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ）同士は、周方向に所定の角度だけ相互にずらされており、
前記角度は、前記受信コイルの個数によって分割された前記測定範囲（β）によって決定されている、
請求項２記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項5】

１つの受信コイル（２２ｂ，２２ｃ）は、それぞれ異なる面積を有する複数の部分巻線（５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ）を有する、
かつ／または
１つの受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）において、第１の方向に方向決めされた全ての部分巻線（５０ａ，５０ｃ，５０ｅ）の面積は、第２の方向に方向決めされた全ての部分巻線（５０ｂ，５０ｄ）の面積に等しい、
請求項１から４までのいずれか１項記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項6】

少なくとも１つの受信コイル（２２ｂ，２２ｃ）は、直線状の導体路（４６，４８）を有し、
前記直線状の導体路（４６，４８）は、前記リングセクタ領域（３０）の前記半径線（３６，３８）に沿って延在している、
請求項２記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項7】

前記少なくとも２つの受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）は、前記プリント基板（１８）の２つの平面に形成されている、
かつ／または
前記円弧状の導体路（４０ａ，４０ｂ）の端部にスルーホールコンタクト（５４）が設けられており、前記スルーホールコンタクト（５４）において、それぞれ異なる平面にある前記円弧状の導体路（４０ａ，４０ｂ）同士が接続されている、
かつ／または
１つの受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）の複数の前記円弧状の導体路（４０ａ，４０ｂ）は、前記プリント基板（１８）の相互に反対側に位置する平面に交互に配置されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項8】

前記ロータエレメント（１４）は、当該ロータエレメント（１４）の、前記回転軸線（Ａ）を中心にして周方向に隣に位置する領域とは異なる導電性を有する少なくとも１つの誘導セグメント（２６）を有する、
かつ／または
前記少なくとも１つの誘導セグメント（２６）は、リングセクタ形である、
請求項２記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項9】

前記少なくとも１つの誘導セグメント（２６）は、周方向において、前記回転角度センサ（１０）の前記測定範囲（β）の半分の大きさの開き角度を有する、
請求項８記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項10】

前記少なくとも１つの誘導セグメント（２６’）は、当該誘導セグメント（２６’）とは異なる導電性を有する複数の半径方向の切欠部（５８）を有する、
かつ／または
前記切欠部（５８）は、前記誘導セグメント（２６’）の周方向における縁部に配置されている、
かつ／または
前記切欠部（５８）同士は、周方向において、前記回転角度センサ（１０）の前記測定範囲（β）の半分の大きさの角度だけ離間されている、
請求項８記載の回転角度センサ（１０）。

【請求項11】

回転角度センサ（１０）のためのステータエレメント（１２）であって、
前記ステータエレメント（１２）は、送信コイル（２０）と、前記送信コイル（２０）の内側に配置された少なくとも２つの受信コイル（２２）とを含み、前記送信コイル（２０）および前記受信コイル（２２）は、１つのプリント基板（１８）上に配置されており、
前記少なくとも２つの受信コイル（２２）は、相互に電気的に接続された複数の円弧状の導体路（４０ａ，４０ｂ）から形成されており、
したがって、前記少なくとも２つの受信コイル（２２）の各々は、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ）から形成されており、
前記複数の部分巻線（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ）の各々は、半径方向（Ｒ）において、左に湾曲している少なくとも１つの円弧状の導体路（４０ａ）と、右に湾曲している少なくとも１つの対向する円弧状の導体路（４０ｂ）とによって画定されている、
ステータエレメント（１２）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、例えばシャフトと他の構成要素との間の回転角度を特定することができる回転角度センサに関する。本発明はさらに、このような回転角度センサのためのステータエレメントに関する。

【0002】

従来技術
回転角度を測定するために、例えば、対応する磁場センサによって磁石が回転させられる回転角度センサが公知である。この場合、磁場ベクトルを測定することによって回転角度を帰納的に推定することが可能となる。このようなセンサはまた、例えば、隣り合って配置された電流ケーブルの電流の流れによって引き起こされる外部磁場にも反応し、非常に敏感であり得る。

【0003】

別の形式の回転角度センサは、渦電流効果を利用する。この場合、例えば、金属ターゲットがセンサコイルによって動かされ、このセンサコイルには交番電圧が供給され、このセンサコイルがターゲットにおいて渦電流を誘導する。このことにより、センサコイルのインダクタンスが減少し、周波数の変化によって回転角度を推定することが可能となる。例えばコイルは、共振回路の構成部分であり、この共振回路の共振周波数は、インダクタンスが変化するとシフトする。しかしながら、この形式の回転角度センサは、設置誤差（特にターゲットの傾き）に対して高い交差感度を有し得る。また、一般的に数１０ＭＨｚの範囲の周波数で動作されるので、生成される周波数が外部電磁場によって干渉され得る（インジェクションロッキング）。

【0004】

欧州特許第０９０９９５５号明細書は、励磁コイルの交番電磁場と相互作用する、ターゲット上で短絡された平坦な導体ループを有する回転角度センサを示す。

【0005】

この場合には、例えば回転角度に依存した矩形信号に類似した信号が生成され、この信号を、評価ユニットによって面倒にも回転角度に変換する必要がある。このような信号の急峻なエッジに起因して、角度分解能が制限される可能性がある。

【0006】

発明の開示
発明の利点
本発明の実施形態は、有利な方法により、生成されたセンサ信号を簡単に評価することが可能な、ロバストかつ低コストでわずかな構造スペースしか必要としない回転角度センサを提供することを可能にする。

【0007】

本発明の実施形態に至る着想は、とりわけ、以下に説明される思想および認識に基づいていると見なすことができる。

【0008】

本発明は、特に大きい干渉電磁場を有する環境において使用することができる回転角度センサに関する。例えば、スロットルバルブの位置、ＢＬＤＣモータのロータ位置、アクセルペダルの位置、または、カムシャフトの位置を特定するために、例えば、車両のエンジンルームの内部または近傍において回転角度センサを使用することができる。以下に説明される回転角度センサは、低コストであり、わずかな構造スペースしか必要とせず、また、簡単な測定原理に基づいている。

【0009】

本発明の１つの実施形態では、前記回転角度センサは、送信コイルと、前記送信コイルの内側に配置された少なくとも２つの受信コイルとを有するステータエレメントを含み、前記送信コイルおよび前記受信コイルは、１つのプリント基板上に配置されており、前記回転角度センサは、前記ステータエレメントに対して回転軸線を中心にして回転可能に支持されたロータエレメントを含み、前記送信コイルは、前記ロータエレメントを介して前記少なくとも２つの受信コイルに誘導結合されており、これによって前記誘導結合は、前記ステータエレメントと前記ロータエレメントとの間の回転角度に依存していて、前記送信コイルは、前記少なくとも２つの受信コイルにおいて少なくとも２つの角度依存性の交番電圧を誘導する。

【0010】

「送信コイルの内側」という用語は、送信コイルが配置されている平面に関して、受信コイルが、この平面またはこの平面への投影図において、送信コイルの（外側）輪郭の内側に配置されていることを意味すると理解すべきである。

【0011】

評価ユニットを支持することができるステータエレメントを、例えばロータエレメントが固定されているシャフトの端部に対向して配置することができる。ロータエレメントは、シャフトと共に移動する１つまたは複数の誘導セグメントを支持することができ、これらの誘導セグメントは、受信コイルを覆っており、これによって受信コイルのインダクタンス、または送信コイルと受信コイルとの間のそれぞれの誘導結合を変化させる。送信コイルに交番電圧が給電されると、受信コイルにおいて交番電圧が誘導され、この交番電圧の振幅は、それぞれの誘導結合に依存している。そうすると、例えば評価ユニットは、測定信号としてセンサが出力するこれらの交番電圧または交番電圧の振幅から、回転角度信号を計算することができる。このようにして、高価な磁石が必要とされないので、回転角度センサを低コストに実現することが可能となる。

【0012】

本発明の１つの実施形態では、前記ロータエレメントおよび前記少なくとも２つの受信コイルは、正弦波状に前記回転角度に依存している振幅を有する交番電圧が、前記受信コイルにおいて誘導されるように構成されている。換言すれば、受信コイルから供給される測定信号、すなわち受信コイルにおいて誘導される交番電圧の振幅は、受信コイルおよびロータエレメントの幾何形状に基づいて正弦波形であるか、または回転角度に依存している正弦関数である。

【0013】

正弦波形の測定信号は、純粋な正弦関数から５％未満または１％未満だけ相違している信号であってもよいことを理解すべきである。

【0014】

例えば、ステータエレメントには、例えば周方向に所定の角度だけ相互にずらされた２つまたは３つの受信コイルを配置することができ、これらの受信コイルは、それぞれ角度がずらされた測定信号を供給する。２つまたは３つの受信コイルの場合には、逆変換が可能であるので、正弦波信号を測定信号として特に簡単に評価することができる。これは、２つの受信コイル（すなわち２相システム）の場合にはアークタンジェント変換とすることができ、または３つの受信コイル（すなわち３相システム）の場合にはクラーク変換とすることができる。これらの逆変換により、例えば機械的な誤差によって発生するオフセットを測定信号から簡単に算出することも可能となる。

【0015】

ステータエレメントに、２つの冗長的な受信コイルシステム（例えばそれぞれ２つまたは３つの受信コイルからなる）を配置することも可能である。この場合には、それぞれの受信コイルシステムの測定信号を、上述した方法で評価することができる。これによって、１つのシステムが故障した場合にも依然として回転角度の特定が可能となり、このことによって重要なシステムにおける安全性を高めることができる。

【0016】

本発明の１つの実施形態では、前記少なくとも２つの受信コイルは、相互に電気的に接続された複数の円弧状の導体路から形成されており、したがって、前記少なくとも２つの受信コイルの各々は、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線から形成されており、前記複数の部分巻線の各々は、半径方向において、左に湾曲している少なくとも１つの例えば円弧状の導体路と、右に湾曲している少なくとも１つの対向する例えば円弧状の導体路とによって画定されている。

【0017】

換言すれば、受信コイルの各々は、回転軸線から出発して半径方向に延在する仮想の直線が、受信コイルの内側を通って延在する場合に、この直線が受信コイルの左に湾曲する円弧状の導体路および右に湾曲する円弧状の導体路と交差するように形成されている。このようにして、受信コイルにおいて誘導される交番電圧の振幅または測定信号が、実質的に正弦関数として回転角度に依存するということが達成される。

【0018】

この場合、受信コイルの部分巻線は、受信コイルの相互に交差していない複数の導体路によって取り囲まれた、受信コイルの一部として定義することができる。部分巻線の向きは、受信コイルを通る電流の流れによって決定される。相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線は、受信コイルを通って電流が流れると、それぞれ逆向きの電流の流れを有する。すなわち、第１の向きを有する部分巻線の場合には、この部分巻線を通って時計回りまたは右に電流が流れ、第２の反対の向きを有する部分巻線の場合には、この部分巻線を通って反時計回りまたは左に電流が流れる。

【0019】

送信コイルおよび受信コイルは、回転軸線を完全に取り囲む必要はなく、回転軸線を中心とした円に対する１つのサークルセクタ形のみに配置することもできる。この場合には、受信コイルの開き角度が測定範囲を決定する。このようにして、ステータエレメントを、完全な３６０°を検出すべき回転角度センサの場合よりも小さい構造にすることが可能となる。

【0020】

本発明の１つの実施形態では、前記少なくとも２つの受信コイルは、前記送信コイルの内側のリングセクタ領域に配置されており、前記リングセクタ領域は、前記回転軸線を中心とした内側円と、前記回転軸線を中心とした外側円と、前記内側円を前記外側円に接続する２つの半径線とによって画定されており、前記２つの半径線は、前記回転角度センサの測定範囲にわたって相互に離間されている。送信コイルは、リングセクタ領域を取り囲むことができ、実質的に（わずかにより大きい）リングセクタの周囲のように成形することもできる。前記円弧状の導体路の端部は、前記リングセクタ領域上に位置することができる。

【0021】

本発明の１つの実施形態では、前記円弧状の導体路は全て、同じ曲率半径を有する。曲率半径は、円弧状の導体路を画定している円の半径とすることができる。これらの円の中心点は、受信コイルが配置されているリングセクタ領域の外側にあってもよいことを理解すべきである。これによって有利には、回転角度センサを特に簡単かつ低コストに製造することが可能となる。これによってさらに有利には、理想的な正弦波信号からの測定信号の相違を小さくすることが可能となり、これによって有利には、角度特定の精度を改善することが可能となる。

【0022】

本発明の１つの実施形態では、相異なる受信コイルの部分巻線同士は、所定の角度だけ相互にずらされており、前記角度は、前記受信コイルの個数によって分割された前記測定範囲の半分によって決定されている。このようにして、受信コイルごとに最大限に異なっている測定信号が得られる。これによって有利には、角度特定の精度が改善される。

【0023】

本発明の１つの実施形態では、１つの受信コイルは、それぞれ異なる面積を有する複数の部分巻線を有する。この場合、１つの受信コイルにおいて、第１の方向に方向決めされた全ての部分巻線の面積を、第２の方向に方向決めされた全ての部分巻線の面積に等しくすることができる。例えば、第１の受信コイルは、同じ大きさの複数の部分巻線を有することができ、その一方で、第２の受信コイルは、第１の、例えば中央の部分巻線を有し、この第１の、例えば中央の部分巻線は、第１の受信コイルの部分巻線と同じ大きさであるが、この第１の受信コイルの部分巻線に対して角度がずらされている。第２の受信コイルはさらに、周方向において第１の、例えば中央の部分巻線の隣に、２つのより小さい、例えば側方の部分巻線（第２の部分巻線および第３の部分巻線）を有することができ、これらの側方の部分巻線は、第１の、例えば中央の部分巻線とは逆向きに方向決めされているが、合計して第１の、例えば中央の部分巻線と同じ面積を占めている。

【0024】

本発明の１つの実施形態では、少なくとも１つの受信コイルは、直線状の導体路を有し、前記直線状の導体路は、前記リングセクタ領域の前記半径線に沿って延在している。このようにして、側方の部分巻線を成形するために、側方の部分巻線の円弧状の導体路同士を相互に電気的に接続させることができる。このことは例えば、リングセクタ領域を側方に、すなわち周方向に超えて延在しうる導体路の場合に当てはまるであろう。

【0025】

本発明の１つの実施形態では、前記少なくとも２つの受信コイルは、前記プリント基板の２つの平面（のみ）に、すなわちとりわけ外側表面上に形成されている。このようにして、プリント基板を低コストに製造することが可能となる。多層のプリント基板、とりわけ３つ以上の層を有するプリント基板は必要なくなる。これによって、製造を格段に簡単に、より低コストに実施することが可能となる。

【0026】

このことは、前記円弧状の導体路の端部にスルーホールコンタクトを設け、前記スルーホールコンタクトにおいて、それぞれ異なる平面にある前記円弧状の導体路同士を接続することによって達成することができる。とりわけ、１つの受信コイルの複数の前記円弧状の導体路を、前記プリント基板の相互に反対側に位置する平面に交互に配置することができる。

【0027】

本発明の１つの実施形態では、前記ロータエレメントは、当該ロータエレメントの、前記回転軸線を中心にして周方向に隣に位置する領域とは異なる導電性を有する少なくとも１つの誘導セグメントを有する。誘導セグメントは、例えばロータエレメントの非金属製の部分に取り付けられた（高導電率の）金属製のセグメントとすることができ、ロータエレメント上の金属製の隆起部とすることができるが、金属製のロータエレメントの（低導電率の）切欠部とすることもできる。

【0028】

例えば、前記少なくとも１つの誘導セグメントを、リングセクタ形とすることができる。ロータエレメントは、複数の同様の形状の誘導セグメントを有することが可能である。

【0029】

本発明の１つの実施形態では、前記少なくとも１つの誘導セグメントは、周方向において、前記回転角度センサの前記測定範囲の半分の大きさの開き角度（すなわち誘導セグメントによって形成される最大角度）を有する。受信コイルの部分巻線も、このような開き角度を有することができる。このようにして、測定範囲にわたる測定信号の最大の変化を達成することができる。これによって有利には、精度を改善し、よりロバストな信号を提供することが可能となる。

【0030】

本発明の１つの実施形態では、前記少なくとも１つの誘導セグメントは、当該誘導セグメントとは異なる導電性を有する複数の半径方向の切欠部を有する。切欠部を、誘導セグメントの周方向における縁部に配置することができ、この場合、誘導セグメントは、測定範囲の半分よりも大きな開き角度を有することができる。前記切欠部同士を、周方向において、前記回転角度センサの前記測定範囲の半分の大きさの角度だけ離間させることができる。誘導セグメントを、１つの大きなサブセグメントと、この大きなサブセグメントから周方向に離間された複数のより小さなサブセグメントとに分割することができる。

【0031】

これらの切欠部を用いることによって、測定信号を成形することができる。なぜなら、より小さなサブセグメントは、大きなサブセグメントによってちょうど覆われている部分巻線の隣に配置されている部分巻線の誘導結合に影響を与えることができるからである。とりわけ、依然として受信コイルに起因して正弦関数からの比較的小さい相違を有する測定信号に、誘導セグメントによって、この相違がより小さくなるように影響を与えることができる。

【0032】

本発明のさらなる態様は、前述および後述するような回転角度センサのためのステータエレメントに関する。

【0033】

本発明の１つの実施形態では、前記ステータエレメントは、送信コイルと、前記送信コイルの内側に配置された少なくとも２つの受信コイルとを含み、前記送信コイルおよび前記受信コイルは、１つのプリント基板上に配置されており、前記少なくとも２つの受信コイルは、相互に電気的に接続された複数の円弧状の導体路から形成されており、したがって、前記少なくとも２つの受信コイルの各々は、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線から形成されており、前記複数の部分巻線の各々は、半径方向において、左に湾曲している少なくとも１つの例えば円弧状の導体路と、右に湾曲している少なくとも１つの対向する例えば円弧状の導体路とによって画定されている。

【0034】

図面の簡単な説明
以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明するが、図面も説明も本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明の１つの実施形態による回転角度センサの概略縦断面図である。

【図2】図１の回転角度センサのためのステータエレメントの概略平面図である。

【図3】図２のステータエレメントの概略平面図であり、ここでは、第１の受信コイルのみが図示されている。

【図4】図２のステータエレメントの概略平面図であり、ここでは、第２の受信コイルのみが図示されている。

【図5】図２のステータエレメントの概略平面図を示し、ここでは、第３の受信コイルのみが図示されている。

【図6】図１の回転角度センサのためのロータエレメントの概略平面図である。

【図7】図６のロータエレメントのための代替的な誘導セグメントの概略平面図である。

【図8】本発明の１つの実施形態による回転角度センサによって生成される測定信号を有する線図である。

【0036】

図面は、概略的なものに過ぎず、縮尺通りではない。同一の参照符号は、図面において、同一の、または同等の作用を有する特徴を表している。

【0037】

発明を実施するための形態
図１は、ステータエレメント１２およびロータエレメント１４からなる回転角度センサ１０を示す。ロータエレメント１４は、例えば、スロットルバルブ、モータ、カムシャフト、アクセルペダル等のような構成要素のシャフト１６に固定することができ、またはこのシャフト１６によって提供することができる。シャフト１６は、軸線Ａを中心にして回転可能であり、ステータエレメント１２は、対応する軸線方向においてロータエレメント１４に対向している。例えば、ステータエレメント１２は、構成要素のハウジングに固定されている。

【0038】

ステータエレメント１２は、プリント基板１８を含み、プリント基板１８上には、１つの送信コイル２０と複数の受信コイル２２とが、プリント基板１８上の導体路によって形成されている。コイル２０，２２の導体路は、プリント基板１８の両側に配置することができる。これらの導体路を、プリント基板を貫通するビア（スルーホールコンタクト）を介して相互に電気的に接続することができる。プリント基板１８上には、評価ユニット２４のための別の構成要素を配置することができる。評価ユニット２４は、送信コイル２０に交番電圧を供給することができ、受信コイル２２において、誘導された交番電圧を特定することもできる。これらの測定値に基づいて評価ユニット２４は、ステータエレメント１２とロータエレメント１４との間の相対的な回転角度を特定することができる。

【0039】

ロータエレメント１４は、軸線方向において送信コイル２０および受信コイル２２に対向する１つまたは複数の誘導セグメント２６を含む。誘導セグメント２６は、図１に示されているように、シャフト１６に固定された別のプリント基板の上に配置することができる。シャフト１６の端部を加工することによって１つまたは複数の誘導セグメント２６を形成することも可能である。

【0040】

図２は、ステータエレメント１２の平面図を示す。プリント基板１８は、略半円形であり、固定用孔２８を有することができる。送信コイル２０も受信コイル２２も、平面コイルとして形成されている。

【0041】

リングセクタ形の送信コイル２０は、複数の導体ループを有することができ、十分に大きな場を形成することができるようにするために、これらの導体ループを、多層のプリント基板１８の複数の平面で実現することも可能である。

【0042】

第１、第２、および第３の受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、送信コイル２０の内側のリングセクタ領域３０に配置されており、このリングセクタ領域３０は、回転軸線Ａを中心とした内側円３２と、回転軸線Ａを中心とした外側円３４と、内側円３２を外側円３４に接続する２つの半径線３６，３８とによって画定されている。半径線３６と半径線３８とは、回転角度センサ１０の測定範囲でもある角度βだけ周方向に相互に離間されている。

【0043】

受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、円弧状の導体路４０から形成されており、これらの導体路は全て、同じ曲率半径を有する。図３、４、および５に関連してより詳細に説明される受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの特別な形状により、正弦関数によってロータエレメント１４の回転角度に依存している振幅（測定信号として）を有する交番電圧を、受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃにおいて誘導することが可能となる。このことにより、回転角度を特定するために測定信号の特に容易な評価が可能となる。

【0044】

例えば送信コイル２０には、数ＭＨｚ（好ましくは５ＭＨｚ）の範囲の周波数を有する交番電圧、および／または０．５Ｖ〜１０Ｖ（好ましくは１．５Ｖ）の範囲の振幅を有する交番電圧を、評価ユニット２４によって印加することができる。これによって交番電磁場が形成され、この交番電磁場は、受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃに結合し、そこで対応する交番電圧を誘導する。誘導セグメント２６を相応に成形することにより、送信コイル２０と受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃとの間の結合は、回転角度に依存して影響を受ける。受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃと送信コイル２０との結合係数の典型的な値範囲、すなわち受信コイルと送信コイルとの間の振幅比を、−０．３〜＋０．３の間にすることができる。受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃにおいて誘導された測定信号を搬送波信号（送信コイルの信号）によって復調することにより、結合の振幅および位相を推定することができる。振幅は、回転角度と共に連続的に変化する。位相は、理想的には０°または１８０°である。

【0045】

図３、４、および５は、図２のステータエレメント１２を示し、これらの図では、見やすくするために、受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々が１つずつ図示されている。

【0046】

回転角度センサ１０の測定範囲βは、例えば１２０°である。基本的に、３６０°より小さい任意の値をとることができる。送信コイル２０の、半径方向に延在する導体路４２の領域における磁場の不均一性が、受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃに対して与える影響を低く保つために、環状の送信コイル２０の開き角度α（図３では、見やすくするために対角が示されている）は、好ましくは回転角度センサ１０の測定範囲βよりも５°〜１０°大きくなっている。

【0047】

半径方向に延在するこれらの導体路４２同士は、円弧状の導体路４４によって接続されており、円弧状の導体路４４の内側は、内側半径ｒｉによって画定されており、円弧状の導体路４４の外側は、半径ｒａによって画定されている。外側半径ｒａの上側は、利用可能な構造スペースによって制限されており、１０〜３０ｍｍの間、例えば約２５ｍｍとすることができる。内側半径ｒｉは、シャフトが回転軸線Ａにおいてステータエレメント１２を通過することが可能となるように寸法設定することができるが、このことが必要でない場合には、０ｍｍとすることもできる。

【0048】

受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、左に湾曲した円弧状の導体路４０ａと、右に湾曲した円弧状の導体路４０ｂとから形成されている。この場合、それぞれの湾曲方向は、回転軸線Ａから半径方向外側への視線方向から理解すべきである。

【0049】

図３には、一例として半径方向Ｒが示されている。この半径方向Ｒは、左に湾曲している内側の円弧状の導体路４０ａと、右に湾曲している外側の（または対向する）円弧状の導体路４０ｂとに交差する。同じことが、円弧状の導体路４０ａと４０ｂとが相互に接続されているところの角度を除いて、測定範囲βの内側の全ての半径方向Ｒに当てはまる。

【0050】

第２の受信コイル２２ｂ（図４）および第３の受信コイル２２ｃ（図５）はさらに、半径線３６，３８に沿って延在する直線状の導体路４６，４８を有する。

【0051】

第１の受信コイル２２ａ（図３）は、円弧状の導体路４０ａ，４０ｂのみから構成されており、これらの円弧状の導体路４０ａ，４０ｂの端部は、相互に逆向きに方向決めされた２つの部分巻線５０ａ，５０ｂが形成されるように相互に接続されており、すなわち、受信コイル２２ａに電流が流れると、これらの円弧状の導体路４０ａ，４０ｂを電流が時計回りまたは反時計回りに流れる。２つの部分巻線５０ａ，５０ｂは、同じ輪郭を有する。部分巻線５０ａ，５０ｂの面積は、同じ大きさであり、したがって、（ロータエレメント１４との追加的な結合が発生しない限り）受信コイル２２ａによって均一な磁場が相殺される。なぜなら、部分コイル５０ａ，５０ｂにおいて、絶対値的に同じであるが極性が逆になっている電圧が誘導されるからである。

【0052】

これに基づいて、回転角度センサ１０または評価ユニット２４は、自己診断機能を動作させることができ、この自己診断機能によって、ロータエレメント１４が欠如していること、および／または受信コイルのうちの１つが電気的な中断部を有することを識別することができる。さらに、通常は均一な場として存在する電磁干渉の障害影響を抑制することができる。

【0053】

第２の受信コイル２２ｂおよび第３の受信コイル２２ｃは、円弧状の導体路４０ａ，４０ｂから構成されており、これらの円弧状の導体路４０ａ，４０ｂは、各自の端部と、直線状の導体路４６，４８とを介して構成されている。第２および第３の受信コイル２２ｂ，２２ｃの各々は、部分巻線５０ｃ，５０ｄ，５０ｅを有し、これらの部分巻線５０ｃ，５０ｄ，５０ｅは、周方向に相互に連続して逆向きに方向決めされている。第１の、ここでは中央の部分巻線５０ｄは、第１の受信コイル２２ａの部分巻線５０ａ，５０ｂのうちの１つと同じ輪郭および／または同じ面積を有する。第２および第３の、ここでは側方の部分巻線５０ｃおよび５０ｅは、組み合わせると部分巻線５０ａ，５０ｂ，５０ｃのうちの１つと同じ輪郭を有し、および／または合計して同じ面積を有する。

【0054】

第１、第２、および第３の受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの円弧状の導体路４０ａ，４０ｂの各交点は、内側円３２（第１の半径ｒ１）、中央円５２（第２の半径ｒ２）、および外側円３４（第３の半径ｒ３）上に位置している。

【0055】

この場合、第２の半径ｒ２は、第１の半径ｒ１と第３の半径ｒ３との平均値とすることができ、すなわち、ｒ２＝（ｒ１＋ｒ３）／２である。第１の半径ｒ１は、送信コイル２０の導体路４２，４４の内側半径ｒｉと幅ｂとの合計よりも大きい。例えば、ｒ１＝ｒｉ＋２ｂおよびｒ３＝ｒａ−２ｂとすることができる。

【0056】

円弧状の導体路４０ａと４０ｂとの交点は、周方向に等角度で離間されている。交点間の角度は、β／４（ここでは３０°）である。したがって、受信コイル２２ａの円弧状の導体路４０ａと４０ｂとの交点は、０°，β／４，β／２，３β／４，およびβに位置している。受信コイル２２ｂおよび２２ｃの円弧状の導体路４０ａと４０ｂの交点は、受信コイル２２ａの円弧状の導体路４０ａ，４０ｂの交点に対してそれぞれ左右にβ／１２だけずらされている。

【0057】

一般に、受信コイル２２の所要の幾何学的な回転ξは、測定範囲βおよび受信コイルの個数ｍから、ξ=β／（２・ｍ）に従って算出される。

【0058】

図示された実施例では、３相システム（ｍ＝３）の場合、３つの受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの幾何学的な回転ξは、２０°（ξ＝１２０°／（２・３）＝２０°）となる。回転時には、受信コイル２２ｂ，２２ｃの右側の測定範囲βを超えている部分が、０°の左側に挿入される。

【0059】

３つの受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃを、プリント基板１８の２つの平面のみに形成することが可能である。例えば、円弧状の導体路４０ａ，４０ｂおよび直線状の導体路４６，４８を、プリント基板１８の両側に配置することができる。２つの平面のみに形成することは、プリント基板１８が低コストになるという利点を有する。さらに、全ての受信コイルとターゲットとの間の平均距離がほぼ同一であるので、測定信号に関してほぼ同じ信号レベルが達成され、また、逆算を単純かつロバストに実施することが可能となる。

【0060】

このことは、以下のようにして達成することができる。すなわち、半径方向内側から半径方向外側に向かって、かつ比較的小さい半径から比較的大きい半径（ｒ１，ｒ２，ｒ３）に向かって延在する円弧状の導体路４０ａ，４０ｂを、一方の平面に配置し、残りの円弧状の導体路４０ａ，４０ｂを、他方の平面に配置することによって達成することができる。第２の受信コイル２２ｂおよび第３の受信コイル２２ｃの場合には、直線状の導体路４６，４８が、相互に重なるようにそれぞれ異なる平面に配置される。導体路４０ａ，４０ｂ，４６，４８の端部同士は、スルーホールコンタクト５４を介して接続されており、見やすくするために、これらのスルーホールコンタクト５４の全てに参照番号が付されているわけではない。この場合、受信コイル２２ａの２つのスルーホールコンタクト５４は、リングセクタ領域３０の内部へとわずかにずらされている。換言すれば、軸線Ａを中心として小さい角度から大きい角度へと移行させるときに、半径方向内側から外側への経路上で延在する（すなわち右に湾曲している）第１の導体路４０ｂを、１つの平面に配置すべきであり、半径方向外側から内側に延在する（すなわち左に湾曲している）第２の導体路４０ａを、別の平面に配置すべきである。

【0061】

図６は、完全円として形成されたロータエレメント１４の概略平面図を示す。図６に示されたロータエレメント１４のうち、１つまたは複数の誘導セグメント２６が含まれている角度範囲のみを使用することも可能である。

【0062】

ロータエレメント１４を、誘導セグメント２６を有するプリント基板として、プリント基板の金属被覆部または金属製の打ち抜き部材として形成することができ、打ち抜き部材の場合には、誘導セグメント２６は、打ち抜き部材の隆起部または陥凹部である。

【0063】

誘導セグメント２６は円弧状であり、それぞれ測定範囲βの半分にわたって、すなわちここで図示されているように６０°にわたって延在している。

【0064】

好ましくは、直線状または線形の半径方向の境界線が使用され、これによって特に簡単で製造確実な生産が保証されている。

【0065】

誘導セグメント２６の内側半径ｒｉｔおよび外側半径ｒａｔは、送信コイル２０の内側半径ｒｉおよび外側半径ｒａに基づいて選択することができる。例えば、ｒｉｔ＝（ｒｉ＋ｂ＋ｒ１）／２およびｒａｔ＝（ｒａ−ｂ＋ｒ３）／２とすることができる。この場合、ｂは、送信コイル２０の導体路４２，４４の幅である。

【0066】

図７は、１つの誘導セグメント２６’が複数のサブセグメント５６ａ，５６ｂから形成されている代替的な実施形態を示す。図６の誘導セグメント２６の各々を、図７の誘導セグメントのように形成することができる。好ましくは、直線状または線形の半径方向の縁部が使用される。

【0067】

サブセグメント５６ａ，５６ｂは、切欠部５８（例えばフライス加工）によって相互に分離されており、この切欠部５８は、サブセグメント５６ａ，５６ｂとは異なる導電性を有する。このようにして、測定信号の正弦波性を改善することができる。

【0068】

切欠部５８の各々は、例えば周方向において２γの角度の幅とすることができる。この場合、中央のサブセグメントは、β／２−２γの角度を有し、外側のサブセグメントは、γの角度を有する。

【0069】

図８は、３つの正弦波形の測定信号６０を有する線図を示し、これら３つの正弦波形の測定信号６０を、受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃから出力することができ、図７による１つまたは複数の誘導セグメント２６’を有するロータエレメント１４によって、さらに正弦関数に近似させることができる。測定信号は、受信コイルにおいて誘導される交番電圧の振幅を表しており、ステータエレメント１２に対するロータエレメント１４の角度に依存している。

【0070】

それぞれ長さが異なる給電線、プリント基板１８のそれぞれ異なる平面における導体路の配置、および機械的な誤差に起因して、測定信号６０は、例えばオフセットを有する可能性がある（すなわち、３つの測定信号６０は、このような場合にはｘ軸に関して対称には延在しない）。

【0071】

このオフセットは、可能な限り正弦波形の測定信号６０から、例えばクラーク変換によって特に簡単に算出することができる。例えばｓｉｎ^２＋ｃｏｓ^２＝１のような三角法を使用することができ、少なくとも信号の妥当性検査のため、または修正のためにも使用することができるという理由からも、可能な限り正弦波形の測定信号６０が有利であろう。

【0072】

例えば、３つの受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃにおいて、典型的には１２０°である電気的な位相オフセットを有する３つの正弦波形の測定信号６０が発生し、これらの正弦波形の測定信号６０を、クラーク変換を使用することによって正弦／余弦システムに変換することができる。そうすると、アークタンジェント関数を用いてここから回転角度を推定することが可能である。

【0073】

回転角度センサ１０が、９０°の電気的な位相オフセットを有する２つの受信コイル２２のみを含むことも可能である（機械的な位相オフセットと電気的な位相オフセットとが異なってもよい）。この場合には、２つの測定信号６０の振幅に位相のコサインを乗算することによって（理想的には）オフセットのない正弦／余弦システムが得られる。アークタンジェント関数を用いてここからロータエレメント１４の回転角度を推定することが可能である。

【0074】

一般に、アークタンジェント関数によって測定信号６０を逆算するためには、少なくとも２つの受信コイル２２ａ，２２ｂが必要とされる。

【0075】

冗長性の理由から、回転角度センサ１０に６つの受信コイル２２を設けることもでき、これら６つの受信コイル２２を全て、例えばプリント基板１８の２つの平面に実現することができる。そうすると、６つの受信コイル２２のうちのそれぞれ３つを、冗長的な３相システムとして使用することができる。その場合、これらの受信コイル２２は全て、平均してロータエレメント１４から等距離で離間しているので（６つ以上の平面で実現した場合と比較して）、測定信号６０のオフセットがほぼ同一となり、また、レベルの高さが同等になる。このことにより、評価が格段に容易になる。

【0076】

最後に、「有する」、「含む」等のような用語が他の要素またはステップを排除しないこと、また、「１つ」のような用語が複数形を排除しないことに留意すべきである。特許請求の範囲における参照符号は、限定するものとして見なすべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】